超導(dǎo)電機(jī)

迄今為止超導(dǎo)電機(jī)的研究主要是超導(dǎo)同步發(fā)電機(jī)和超導(dǎo)單極電機(jī)，而超導(dǎo)同步發(fā)電機(jī)主要還只是轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組采用超導(dǎo)線圈。電機(jī)的定子繞組由于是在50Hz工頻下工作，超導(dǎo)材料交流損耗較大，因此在20世紀(jì)80年代前研制的超導(dǎo)電機(jī)，定子繞組仍然采用常規(guī)銅繞組。在80年代中期后，人們研究出極細(xì)絲交流超導(dǎo)復(fù)合線，其交流損耗已降低到可接受的程度，因此已開始研究定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組全部采用超導(dǎo)材料的全超導(dǎo)電機(jī)。

這樣超導(dǎo)電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子處于同一的溫度空間，消除了室溫氣隙，亦無需單獨(dú)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)容器，這不僅簡(jiǎn)化了電機(jī)結(jié)構(gòu)，也簡(jiǎn)化了低溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了電機(jī)運(yùn)行的可靠性。如果能進(jìn)一步提高電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組的磁通密度，并采用高溫超導(dǎo)體作為磁屏蔽，還有可能免去鐵芯和鐵軛，將大大減輕電機(jī)的重量。超導(dǎo)單極電機(jī)是一種沒有換向器的低壓大電流直流電機(jī)，其靜止的勵(lì)磁線圈是超導(dǎo)的，而旋轉(zhuǎn)電樞仍然是常規(guī)銅線圈。

由于超導(dǎo)單極電機(jī)的功率大、重量輕，如比功率可達(dá)746W/kg以上，因此有廣泛應(yīng)用前景，如應(yīng)用于船舶電力推進(jìn)。當(dāng)前人們還開始研究用高溫超導(dǎo)塊材料取代永磁電機(jī)中的永磁材料做成超導(dǎo)永磁電機(jī)，法、美等國(guó)已研制出500～1000W的超導(dǎo)永磁電機(jī)原理樣機(jī)，并計(jì)劃研制更大功率的超導(dǎo)永磁電機(jī)。

圖為轉(zhuǎn)子用超導(dǎo)勵(lì)磁繞組的超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。

超導(dǎo)電機(jī)定子

常規(guī)發(fā)電機(jī)中，電樞繞組嵌于貼心之中，鐵心是繞組的支撐件。由于電樞電流是交流電流，鐵心要選用鐵耗低的硅鋼片。超導(dǎo)發(fā)電機(jī)中，由于磁通密度高，采用非磁性高強(qiáng)度材料支撐繞組。但是，為了構(gòu)成電樞繞組的磁回路和防止磁場(chǎng)泄露，在定子外層需要采用鐵磁材料屏蔽。

超導(dǎo)電機(jī)轉(zhuǎn)子

用超導(dǎo)體制成的勵(lì)磁繞組要運(yùn)行在低溫環(huán)境，超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子一般采用多重圓筒結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子內(nèi)筒為冷卻介質(zhì)儲(chǔ)槽，然后是超導(dǎo)勵(lì)磁繞組及其支撐筒、熱輻射屏蔽筒，以及阻尼筒、真空外殼。

（1）冷卻介質(zhì)儲(chǔ)槽及輸送、回收系統(tǒng)。超導(dǎo)體必須運(yùn)行在臨界溫度以下才能維持穩(wěn)定的超導(dǎo)態(tài)。支撐超導(dǎo)繞組的內(nèi)筒兼做冷卻介質(zhì)儲(chǔ)槽。低溫超導(dǎo)發(fā)電機(jī)中的冷卻介質(zhì)為液氦，高溫超導(dǎo)發(fā)電機(jī)則可用液氮或溫度在30K左右的低溫氦氣作為冷卻介質(zhì)。冷卻介質(zhì)從冷卻系統(tǒng)輸入到轉(zhuǎn)子內(nèi)部冷卻超導(dǎo)線圈，蒸發(fā)的冷卻介質(zhì)通過回流通道排出，并和外部冷卻系統(tǒng)形成循環(huán)。冷卻介質(zhì)儲(chǔ)槽外為真空層，以抑制熱量的侵入。

（2）轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組。常規(guī)發(fā)電機(jī)中，由于導(dǎo)線的電流密度受到限制，僅靠繞組難以產(chǎn)生很強(qiáng)的磁場(chǎng)，必須將繞組嵌入鐵心中，鐵磁材料的飽和磁通密度小于2T，因此，常規(guī)發(fā)電機(jī)中的磁通密度小于2T。實(shí)用低溫超導(dǎo)材料的允許電流密度比銅線高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上，臨界磁場(chǎng)大于10T。所以，使用超導(dǎo)技術(shù)不僅可以省去鐵心，而且可以運(yùn)行在遠(yuǎn)高于鐵心磁飽和的磁通密度(一般設(shè)計(jì)為5～7T)。

（3）熱輻射屏蔽筒。繞組筒外為真空空間，其中設(shè)有熱輻射屏蔽筒，其作用是降低從常溫向低溫的熱傳導(dǎo)，提高冷卻效率。真空層抑制通過空氣的熱傳導(dǎo)，熱輻射屏蔽筒抑制從常溫外筒來的熱輻射。

（4）阻尼筒。超導(dǎo)發(fā)電機(jī)中的阻尼筒既具有常規(guī)發(fā)電機(jī)中阻尼繞組的功能——在電磁動(dòng)態(tài)過程中抑制轉(zhuǎn)子的非同期振蕩，又具有緩解動(dòng)態(tài)過程中定子的交流磁場(chǎng)對(duì)超導(dǎo)繞組影響的作用，以提高超導(dǎo)穩(wěn)定性。為了提高阻尼性能，可采用多重阻尼筒。熱輻射屏蔽筒也可兼有阻尼筒作用。

（5）力矩傳導(dǎo)筒。在發(fā)電機(jī)中，電樞繞組切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，向負(fù)載輸出電能，原動(dòng)機(jī)向轉(zhuǎn)子提供驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩。常規(guī)發(fā)電機(jī)中，轉(zhuǎn)矩通過軸直接傳給轉(zhuǎn)子鐵心，鐵心帶動(dòng)勵(lì)磁繞組旋轉(zhuǎn)。但在超導(dǎo)發(fā)電機(jī)中，必須盡量抑制進(jìn)入超導(dǎo)低溫環(huán)境的熱量，所以不能用傳熱量大的實(shí)心軸傳遞轉(zhuǎn)矩，而要采用可抑制熱量傳導(dǎo)、壁厚較?。▊鳠崃亢蛡鳠峤孛娣e成正比）的力矩傳導(dǎo)筒。

超導(dǎo)汽輪發(fā)電機(jī)

勵(lì)磁繞組用超導(dǎo)線(鈮鈦Nb-Ti合金線或鈮三錫Nb3Sn)繞制。選用的電流密度高達(dá)傳統(tǒng)常規(guī)繞組的幾十倍。電機(jī)的磁通氣隙密度取得很高，大大超過了鐵磁材料（硅鋼片等）的飽和點(diǎn)。因而發(fā)電機(jī)重量大幅度下降，提高了發(fā)電機(jī)的電磁功率的最大值，使電機(jī)可以應(yīng)付更大的功率突變，這有利于電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性。因強(qiáng)磁場(chǎng)、大電流密度的交流超導(dǎo)材料尚未過關(guān),所以只能在直流勵(lì)磁繞組中采用超導(dǎo)線,而交流電樞繞組則仍用常規(guī)導(dǎo)線（銅線）。 　轉(zhuǎn)子超導(dǎo)勵(lì)磁繞組浸于旋轉(zhuǎn)的低溫液氦容器中，由多層轉(zhuǎn)軸的內(nèi)層輸送液態(tài)氦，以冷卻勵(lì)磁繞組。蒸發(fā)后的氣態(tài)氦從多層轉(zhuǎn)軸的夾層流出。為了避免外界熱量的侵入，在旋轉(zhuǎn)低溫容器的外殼以及多層轉(zhuǎn)軸的層間均設(shè)有真空隔熱夾層。整套低溫系統(tǒng)嚴(yán)格密封。在轉(zhuǎn)子外層還裝有用金屬材料制成的電阻尼屏，以屏蔽定子諧波磁場(chǎng)及發(fā)電機(jī)在三相不對(duì)稱運(yùn)行時(shí)的負(fù)序磁場(chǎng)進(jìn)入超導(dǎo)勵(lì)磁繞組，避免超導(dǎo)材料失去超導(dǎo)性。

超導(dǎo)單極直流電機(jī)

采用超導(dǎo)勵(lì)磁繞組及液態(tài)電刷，可以制成高電壓、大電流、大容量的直流電機(jī)。有圓盤式和折入式兩種。這兩種電機(jī)均可作發(fā)電機(jī)運(yùn)行（由原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)），也可作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行(由電刷引入電流)。超導(dǎo)單極直流電機(jī)適用于船舶推進(jìn)、軋鋼、大型卷揚(yáng)機(jī)和慢速壓縮機(jī)等場(chǎng)合，很有發(fā)展前途。

超導(dǎo)線在臨界溫度T、臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度H及臨界電流密度J值以內(nèi)時(shí)具有超導(dǎo)性，其電阻為零。這將使超導(dǎo)電機(jī)繞組的電阻損耗降為零，既解決了電樞繞組發(fā)熱、溫升問題，又使電機(jī)效率大為提高。更重要的是超導(dǎo)線的臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度和臨界電流密度都很高，使超導(dǎo)電機(jī)的氣隙磁通密度和繞組的電流密度可比傳統(tǒng)常規(guī)電機(jī)提高數(shù)倍乃至數(shù)十倍。這就大大提高電機(jī)的功率密度，降低電機(jī)的重量、體積和材料消耗。

由于采用超導(dǎo)線圈，使繞組提高了載流能力，產(chǎn)生比常規(guī)線圈大數(shù)倍的磁場(chǎng)而又幾乎無焦耳熱損耗，因而具有一系列先進(jìn)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)特性。如用于同步發(fā)電機(jī)可以提高電機(jī)效率，大約比常規(guī)電機(jī)提高0.5%～0.8%；體積小、重量輕，整機(jī)重量可減小1/3～1/2；電機(jī)電抗可減少到1/4，從而提高電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性。它還可以省鐵芯，使電機(jī)的電樞繞組對(duì)地絕緣水平大大提高，同時(shí)由于氣隙磁通密度可比常規(guī)電機(jī)大4～5倍，單機(jī)容量可達(dá)百萬千伏安以上。

高溫超導(dǎo)電機(jī)有著體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、功率密度和效率高、極限容量大、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，被公認(rèn)為是在不久的將來具有商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的新型電機(jī)之一。阻尼屏蔽系統(tǒng)是超導(dǎo)電機(jī)所獨(dú)具的特殊結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵部件之一，它的作用是減少交變磁場(chǎng)對(duì)超導(dǎo)線圈的影響，以保證其工作在超導(dǎo)狀態(tài)，并提高電機(jī)效率；同時(shí)，它對(duì)轉(zhuǎn)子的振蕩起阻尼作用，使超導(dǎo)電機(jī)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。本項(xiàng)目擬結(jié)合海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)等高溫超導(dǎo)電機(jī)的工作特點(diǎn)，建立多層屏筒式阻尼屏蔽系統(tǒng)的電磁場(chǎng)與溫度場(chǎng)或應(yīng)力場(chǎng)的耦合分析模型以及場(chǎng)-路耦合分析模型，結(jié)合高溫超導(dǎo)帶材特性，分析多層屏筒式阻尼屏蔽系統(tǒng)的屏蔽效能、阻尼能力、對(duì)高溫超導(dǎo)線圈勵(lì)磁調(diào)節(jié)和交流損耗的影響、各薄壁筒的受力情況、以及各薄壁筒中的雜散損耗對(duì)低溫制冷系統(tǒng)的影響。本項(xiàng)目的研究成果將進(jìn)一步完善超導(dǎo)電機(jī)阻尼屏蔽系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)理論，并為高溫超導(dǎo)電機(jī)設(shè)計(jì)提供鋪墊。

高溫超導(dǎo)電機(jī)有著體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、功率密度和效率高、極限容量大、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，被公認(rèn)為是在不久的將來具有商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的新型電機(jī)之一。阻尼屏蔽系統(tǒng)是超導(dǎo)電機(jī)所獨(dú)具的特殊結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵部件之一，它的作用是減少交變磁場(chǎng)對(duì)超導(dǎo)線圈的影響，以保證其工作在超導(dǎo)狀態(tài)，并提高電機(jī)效率；同時(shí)，它對(duì)轉(zhuǎn)子的振蕩起阻尼作用，使超導(dǎo)電機(jī)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。 本項(xiàng)目結(jié)合海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)等高溫超導(dǎo)電機(jī)的工作特點(diǎn)，建立了多層屏筒式阻尼屏蔽系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)電磁場(chǎng)解析法和有限元法分析模型，多物理場(chǎng)仿真以及場(chǎng)-路耦合分析模型；結(jié)合高溫超導(dǎo)勵(lì)磁線圈特性，分析了多層屏筒式阻尼屏蔽系統(tǒng)的屏蔽效能、阻尼能力、以及屏蔽和阻尼特性對(duì)超導(dǎo)電機(jī)超瞬態(tài)參數(shù)的影響，并且研究了屏蔽與阻尼性能之間的相關(guān)性；分析了阻尼屏蔽系統(tǒng)對(duì)高溫超導(dǎo)線圈勵(lì)磁調(diào)節(jié)和交流損耗的影響、各薄壁筒的受力情況、以及各薄壁筒中的雜散損耗對(duì)低溫制冷系統(tǒng)的影響；研制了阻尼屏蔽系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，搭建了?shí)驗(yàn)平臺(tái)，并且利用它對(duì)理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。本項(xiàng)目的研究成果進(jìn)一步完善了超導(dǎo)電機(jī)阻尼屏蔽系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)理論，并為高溫超導(dǎo)電機(jī)設(shè)計(jì)提供了鋪墊。 2100433B